Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage nach dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
Neue Anforderungen an die Bremssysteme von Kraftfahrzeugen -
wie Antiblockiersysteme, Fahrstabilitätsregelsysteme, An
triebsschlupfregelsysteme oder Traktionskontrollen, soge
nannte intelligente Tempomaten, Bremsassistenten usw. - haben
zusammen mit der Forderung nach einer Verringerung der Mon
tage- und Wartungskosten, die bei den derzeit allgemein übli
chen hydraulischen Bremssystemen recht erheblich sind, zu der
Entwicklung neuer, rein elektrischer Bremssysteme (auch unter
der Bezeichnung Brake-by-wire bekannt) geführt (DE 195 48 392
A1).
Bei solchen elektrischen Bremssystemen ist der Fahrer
kraftmäßig von der Bremse abgetrennt, d. h. die von dem Fahrer
ausgehende Bremsmomentanforderung wird nicht mehr direkt als
Kraft über ein hydraulisches System übertragen, sondern nur
noch als Signal über eine elektrische Leitung. Mit Hilfe die
ses Signals wird ein elektrischer Bremsaktor gesteuert, der
mit Hilfe einer elektrischen Energieversorgung eine Kraft an
den einzelnen Bremsen erzeugt, welche über ein Reibelement
das gewünschte Bremsmoment erbringt. Bei einer Scheibenbremse
erzeugt die sogenannte Zuspannkraft an einem
Bremssattel das Bremsmoment an der Bremsscheibe .
Da die Bremsen an einem zum öffentlichen Verkehr zugelassenen
Fahrzeug eine wesentliche Sicherheitseinrichtung darstellen,
die gesetzlichen Anforderungen unterliegen, und der Fahrer
bei einer elektrisch betriebenen Betriebsbremse keine Mög
lichkeit mehr hat, das Fahrzeug mit Muskelkraft zu bremsen,
sind besondere Maßnahmen zum Sicherstellen der Versorgung mit Betriebsener
gie notwendig. Die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des
Fahrzeugs muß jederzeit gewährleistet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische
Bremsanlage für Kraftfahrzeuge zu schaffen, bei der die Ver
sorgung der Bremsanlage mit elektrischer Energie jederzeit
gewährleistet ist. Dabei sollen sowohl die Betriebseinrich
tungen als auch die Steuereinrichtungen der Bremsanlage je
derzeit zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bremsanlage nach
Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die
erforderliche Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des Brems
systems mit geringem Aufwand an Komponenten und Kosten er
reicht wird. Die Energieversorgung der mehrere Bremskreise
aufweisenden Bremsanlage ist so gestaltet, daß ein Ausfall
oder eine Beeinträchtigung der Energieversorgung eines Brems
kreises die Funktionsfähigkeit des oder der restlichen Brems
kreise nicht beeinträchtigt. Dadurch bleibt immer eine aus
reichende Bremsfähigkeit des Kraftfahrzeugs erhalten. Eine
Überwachung der elektrischen Energiespeicher der einzelnen
Bremskreise ermöglicht es, einen zu erwartenden Ausfall eines
Energiespeichers rechtzeitig zu erkennen und entsprechende
Maßnahmen - zum Beispiel das Auslösen eines Warnsignals für
den Fahrer - zu ergreifen, und zwar bevor ein Totalausfall
des betroffenen Bremskreises auftritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Bremsanlage gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Ladezustandsüberwachung einer erfindungsgemäßen
Bremsanlage als Blockschaltbild dargestellt, und
Fig. 3 und 4 Diagramme, die den Verlauf der Klemmenspan
nung einer Batterie in Abhängigkeit von Betriebsgrö
ßen bei zwei verschiedenen Ladezuständen verdeutli
chen.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfin
dung betrifft zweikreisige
Bremssysteme in vierrädrigen Kraftfahrzeugen, bei denen je
zwei Radbremseinrichtungen zu einem Bremskreis gehören. Sinn
gemäß lassen sich die folgenden Ausführungen auch auf Brems
systeme mit mehr als zwei Kreisen übertragen, vorzugsweise
werden dabei jedem Bremskreis ein elektrischer Energiespei
cher und/oder entsprechende Lade- und Trennvorrichtungen zu
geordnet.
Eine erfindungsgemäße Bremsanlage 1 (Fig. 1) enthält einen
Generator 2, der von dem - hier nicht dargestellten - Motor
eines Kraftfahrzeugs angetrieben wird und dabei eine Gleich
spannung UG erzeugt, deren Betrag durch einen Generatorregler
3 bestimmt wird. Um im Falle einer plötzlichen starken Last
verminderung eine Zerstörung angeschlossener elektronischer
Geräte durch transiente Spannungsspitzen zu vermeiden, ist
ein Überspannungsschutz 4 vorgesehen. Vorzugsweise sind Gene
rator, Regler und Überspannungsschutz zu einer an sich be
kannten Generatoreinheit 6 zusammengefaßt.
Die Generatoreinheit 6 liefert Strom in einen ersten Strom
kreis 7 - im folgenden als Primärstromkreis bezeichnet -, der
einen elektrischen Energiespeicher 8 - im folgenden auch als
Primärbatterie bezeichnet - enthält und in dem die üblichen
elektrischen Verbraucher in einem Kraftfahrzeug (Anlasser,
Zündung, Beleuchtung, Anzeigeinstrumente, Lüftermotoren,
Heckscheibenheizung, usw.) sowie mehrere - vorliegend zwei -
zu einem primären Bremskreis 10 gehörigen Radbremsaktoren
oder Radbremseinrichtungen 12 liegen.
Der Lade- und Entladestrom der Primärbatterie 8 wird über
kontaktlose Stromsensoren 13 gemessen. Wegen der in Kraft
fahrzeugen auftretenden relativ hohen Entladeströme sowie
aus dem Bestreben heraus, eine hohe Ausfallsicherheit zu er
reichen, sind möglichst wenig Kabelunterbrechungen in Leitun
gen, die zur Leistungsübertragung dienen, vorteilhaft. Des
halb wird hier nicht die einfachere und kostengünstigere
Strommessung über Shunt-Widerstände angewandt. Jeder der üb
lichen Verbraucher - hier zusammenfassend mit dem Bezugszei
chen 14 bezeichnet - des Primärkreises 10, sowie die beiden
Radbremsaktoren 12 sind über geeignete Sicherungsmittel 16 -
zum Beispiel Schmelzsicherungen oder elektronische Sicherun
gen - gegen Kurzschluß gesichert.
Vorzugsweise werden elektronische Sicherungsmittel 16 einge
setzt, die durch ein Steuersignal von einer elektronischen
Schaltung aktiviert und deaktiviert werden können. Die Steu
ersignale können zum Beispiel durch die Ladezustandsüberwa
chung 18 erzeugt werden. Mit derartigen elektronischen Siche
rungsmitteln ist es möglich, die Primärbatterie vor einer un
gewollten Entladung bei abgestelltem Fahrzeug - zum Beispiel
durch ein vom Fahrer unterlassenes Ausschalten des Fahrlich
tes - zu schützen. Gegebenenfalls wird durch Aktivieren eines
elektronischen Sicherungsmittels 16 der jeweilige Stromkreis
zum Verbraucher unterbrochen. Diese Funktion kann auch dazu
eingesetzt werden, bei unzureichendem Ladezustand der Primär
batterie gezielt weniger wichtige Verbraucher, wie beispiels
weise die beheizbare Heckscheibe oder die Sitzheizung abzu
schalten, und die verbleibende Restladung der Primärbatterie
ausschließlich zum Betrieb der Radbremseinrichtungen zu nut
zen.
Die Temperatur T1 der Primärbatterie 8 wird durch einen Tem
peratursensor 17 gemessen und zusammen mit den Meßwerten des
Lade- und Entladestroms an eine Schaltung zur Überwachung und
Steuerung des Ladezustands, im folgenden als Ladezustands
überwachung 18 bezeichnet, übergeben. Der Temperatursensor 17
ist dabei vorteilhafterweise direkt an der Batterie 8 unter
gebracht, um eine gute thermische Kopplung zwischen Batterie
und Sensor zu erreichen. Die Spannung U1 wird von der Ladezu
standsüberwachung 18 direkt an der Batterie 8 abgegriffen.
Die Ladezustandsüberwachung 18 steuert aufgrund der empfange
nen und ausgewerteten Meßdaten den Generatorregler 3, ihre
Funktion wird weiter unten noch ausführlicher beschrieben
werden.
Die Generatorspannung UG speist auch eine mit einem Rückspei
seschutz 20 - zum Beispiel als Halbleiter-Stromventil ausge
bildet - und einem Laderegler 21 versehene Ladevorrichtung 22
für einen elektrischen Energiespeicher 24 eines zweiten
Stromkreises 25 - im folgenden als Sekundärbatterie und Se
kundärstromkreis bezeichnet -. In dem Sekundärstromkreis lie
gen ausschließlich Radbremsaktoren 26 eines zweiten Brems
kreises 28 - im folgenden als Sekundärbremskreis bezeichnet -.
Die Ausgangsspannung der Ladevorrichtung 22 ist UL.
Die Spannung U2 der Sekundärbatterie, ihre Lade- und Entlade
ströme sowie ihre Temperatur werden gemessen und an die Ein
richtung zur Ladezustandsüberwachung 18 übermittelt. Diese
ermittelt daraus die Sollwerte zum Steuern der Ladevorrich
tung 22. Die Ladevorrichtung 22 mit Rückspeiseschutz 20 ist
zum Beispiel als pulsweitenmodulierter getakteter induktiver
Spannungswandler ausgebildet. Die Funktionsweise solcher ge
takteter induktiver Spannungswandler (Hochsetzsteller, Hoch-
/tiefsetzsteller, Sperrwandler usw.) ist bekannt. Die Verwen
dung eines Sperrwandlers ermöglicht durch dessen Trennung im
Längspfad den Verzicht auf einen gesonderten Rückspeise
schutz.
Der Einsatz des Spannungswandlers erlaubt die Anpassung an
verschiedene Betriebszustände: Beispielsweise ist es möglich,
die Nennspannung U2 der Sekundärbatterie 24 größer zu wählen
als die Nennspannung U1 der Primärbatterie. Dies ist insbe
sondere im Hinblick auf die größeren Bremsleistungen an der
Vorderachse vorteilhaft, wenn die Sekundärbatterie die beide
Vorderachs-Bremsaktoren 12 speist, da sich durch eine höhere
Spannung eine verbesserte Dynamik der Bremsaktoren ergibt.
Auch bei identischen Nennspannungen der beiden Batterien ist
es vorteilhaft, einen gesteuerten Spannungswandler mit Rück
speiseschutz zum Laden der Sekundärbatterie einzusetzen, und
nicht den einfacheren Weg der ungetrennten Parallelschaltung
der beiden Batterien zu wählen. Letzterer birgt nämlich fol
genden Nachteil, und zwar selbst wenn ein Rückspeiseschutz
und Sicherungsmittel gegen Kurzschluß eine gewisse Kreistren
nung erlauben: Ist aufgrund einer unterschiedlich schnellen
Alterung der Batterien, zum Beispiel hervorgerufen durch eine
unterschiedlich starke Inanspruchnahme, eine der Batterien
mit einer kleineren tatsächlichen Kapazität behaftet als die
andere, sich noch in einem besseren Zustand befindlichen Bat
terie, so wird aufgrund der sich daraus ableitenden Ladebe
dingungen die "schlechte" Batterie gegenüber der "guten" Bat
terie mit weniger Ladung versorgt, das heißt ihre tatsächli
che Kapazität sinkt dadurch noch weiter ab, und ein Batterie
ausfall ist in verhältnismäßig kurzer Zeit unvermeidbar.
Durch eine separate Ladevorrichtung auch für die Sekundärbat
terie ist es möglich, beide Batterien entsprechend ihrer tat
sächlichen Kapazität unabhängig voneinander zu laden und so
mit eine verlängerte Batterielebensdauer zu erzielen.
Die Ladevorrichtung 22 tauscht mit einem zentralen Bremsen
steuergerät 30 den Zustand der Batterien anzeigende Daten
aus, und zwar über die Ladezustandsüberwachung 18. Das zen
trale Bremsensteuergerät 30 kann dann im Bedarfsfall geeigne
te Maßnahmen - zum Beispiel das Stillegen des Fahrzeugs bei
ungenügender Restladung in beiden Batterien - ergreifen.
Aus dem Blockschaltbild nach Fig. 2 ist der prinzipielle
Aufbau der Ladezustandsüberwachung 18 ersichtlich. Die Batte
riespannungen U1 und U2 beider Stromkreise werden jeweils
über einen Überspannungsschutz 42, auf eine Entkopplungs
schaltung 43 - im Ausführungsbeispiel als Diodenschaltung
ausgebildet - geführt, die dafür sorgt, daß bei Ausfall eines
Stromkreises die Schaltung aus dem anderen Stromkreis ver
sorgt wird, und somit die Ladezustandsüberwachung 18 weiter
hin betriebsbereit bleibt. Um auch bei einem doppelten Strom
kreisausfall die Funktionssicherheit der Schaltung für befri
stete Zeit zu gewährleisten, ist eine Pufferbatterie 44 vor
gesehen. Das zentrale Bremsensteuergerät 30 ist ebenfalls mit
einer - hier nicht dargestellten - Pufferbatterie versehen
und wird aus beiden Stromkreisen versorgt, wobei auch hier
jeder einzelne Stromkreis zur Versorgung herangezogen werden
kann. An die Entkopplungsschaltung 43 schließt sich ein Span
nungsregler 46 an, der die interne Versorgungsspannung für
die Baugruppen der Ladezustandsüberwachung 18 bereitstellt.
Von jeder der beiden Batterien werden die Klemmenspannung,
die Temperatur und der Lade- und Entladeströme gemessen und
einer Signalverarbeitung(sschaltung) 47 zugeführt, welche die
Meßdaten für eine Ladezustandsermittlung(sschaltung) 48 auf
bereitet. Diese Schaltung 48 ist vorzugsweise durch einen Mi
krorechner verwirklicht ist, der auch die Signalverarbeitung
47, den Spannungsregler 46 sowie weitere Schaltungsbestand
teile mit enthalten kann. Daten über den Ladezustand der Bat
terien werden über eine Kommunikationsschnittstelle 49 mit
dem zentralen Bremsensteuergerät ausgetauscht. Die Funk
tionsfähigkeit der internen Baugruppen der Ladezustandsüber
wachung 18 wird durch eine Selbstdiagnosebaugruppe 50 über
wacht.
Die Beurteilung des Batteriezustandes erfolgt nach folgendem
Verfahren:
Eine gemessene Klemmenspannung U oder deren Verhältnis q = U/U0
zur Leerlaufspannung hängt für eine gegebene Batterie von de
ren Temperatur T, dem Entladestrom I bzw. dessen Verhältnis
p = I/I0 zum Kälteprüfstrom I0, dem Alter oder der aktuellen
Kapazität und dem Ladezustand ab. Die Nennkapazität ist im
Betrieb eine Konstante, sie wird vom Fahrzeughersteller be
stimmt und ändert sich während des Betriebs des Fahrzeugs
nicht. Die Alterung der Batterie wird durch die Belastungen,
denen die Batterie während des Betriebs ausgesetzt ist, be
stimmt, und beeinflußt deren aktuelle Kapazität. Aufgrund der
vielfältigen Einflüsse ist sie meßtechnisch kaum zu erfassen.
Für ein bestimmtes Batteriealter und einen bestimmten Ladezu
stand ergibt sich folgender Zusammenhang für die gemessene
Klemmenspannung:
q = U/U0 = f(T, p)
Die Funktion f(T, p) hängt dabei wie gesagt vom Alter und vom
Ladezustand ab, ebenso noch von den Parametern Batterietyp
und Nennkapazität. Sie kann algorithmisch aus Batteriemodel
len berechnet oder durch Ausmessen von Kennfeldern ermittelt
werden.
Das aus Fig. 3 ersichtliche Diagramm veranschaulicht quali
tativ die Funktion f1(T, p) für eine neue Batterie mit 100%
Ladezustand, bei der also die gesamte Nennkapazität zur Ver
fügung steht.
Das aus Fig. 4 ersichtliche Diagramm veranschaulicht quali
tativ die Funktion f2(T, p) für die gleiche Batterie mit einem
aktuellen Ladezustand, der nur noch etwa 25% der Nennkapazi
tät entspricht. Charakteristisch ist die stärkere Abnahme der
Klemmenspannung bei Belastung der Batterie mit hohen Entlade
strömen. Die Verringerung der Klemmenspannung bei Belastung
ist, bei vorgegebener Temperatur, von dem Ladezustand der
Batterie abhängig: Eine Batterie mit schlechtem Ladezustand
hat einen entsprechend hohen Innenwiderstand. Bezogen auf die
Nennkapazität einer neuen Batterie wird der Innenwiderstand
der Batterie im Laufe ihrer Lebenszeit durch zwei Größen be
einflußt. Einmal durch das Batteriealter, das die Kapazität
der Batterie herabsetzt, d. h. selbst eine voll geladene alte
Batterie hat eine geringere Ladung gespeichert als eine voll
geladene neue Batterie. Allgemein steigt der Innenwiderstand
mit zunehmendem Alter an. Zum zweiten richtet sich der Innen
widerstand aber auch nach dem aktuellen Ladezustand, und zwar
wird er um so größer, je näher sich die Batterie am Entlade
zustand befindet.
Um festzustellen, ob eine Batterie noch für die Verwendung
als Energiespeicher für ein elektrisches Bremssystem tauglich
ist oder nicht, müssen also zwei Größen ermittelt werden: die
aktuelle Kapazität und der aktuelle Ladezustand. Der Ladezu
stand wird durch eine Ladungsbilanz mit den gemessenen Lade-
und Entladeströmen berechnet:
QB = Σ(ηk . Ik . Δt) + Q0
Ik ist dabei der zum Abtastzeitpunkt t0 + k . Δt gemessene Strom,
Q0 der Wert der Ladungsbilanz zum Zeitpunkt t0.
Die in die Batterie eingebrachte Ladung wird jedoch nicht
vollständig gespeichert, sondern nur zu einem Teil. Daher
wird der Ladestrom Ik mit einem Faktor ηk gewichtet. Der Ge
wichtungsfaktor ηk hängt dabei sowohl von der aktuellen Kapa
zität als auch vom momentanen Ladezustand ab. Im Bereich des
Überladens, bei dem die Batterie anfängt zu gasen, ist ηk = 0.
Im Gasungsbereich wird die in die Batterie eingespeiste elek
trische Energie nicht mehr gespeichert, sondern zur elektro
lytischen Zersetzung des Wassers verwendet sowie zur thermi
schen Aufheizung der Batterie. Dieser Zustand, der sich sehr
nachteilig auf die Lebenserwartung der Batterie auswirkt,
kann jedoch durch folgende Strategie vermieden werden.
Die Ladezustandsermittlung 48 steuert den Generator 2 oder
die Ladevorrichtung 22 so, daß die Ladespannung für die je
weilige Batterie 8, 24 nur unwesentlich über der Ladeschluß
spannung - das ist die Leerlaufspannung der voll geladenen
Batterie - liegt. Bei Annäherung an den Gasungsbereich fällt
zunächst der Ladestrom ab, danach beginnt die Temperatur der
Batterie anzusteigen und kündigt den Übergang in den Gasungs
bereich an. Dies wird durch die Ladezustandsermittlung 48 er
kannt, die daraufhin die Ladespannung entsprechend verrin
gert.
Der Einfluß der Alterung auf den Gewichtungsfaktor ηk wird
durch eine Innenwiderstandsmessung berücksichtigt. Während
einer Bremsung wird aufgrund des verhältnismäßig hohen Strom
bedarfs der Aktoren den Batterien Strom entnommen. Bei der
Primärbatterie 8 kann eine Stromentnahme auch schon durch die
normalen Verbraucher verursacht werden, bei einer Bremsung
vergrößert sich dann der Entnahmestrom entsprechend. Diese
Stromentnahmen stellen wegen ihres verhältnismäßig großen Be
trags eine nennenswerte Belastung für die Batterien dar. Je
nach aktuellem Ladezustand wird dabei die Klemmenspannung
mehr oder weniger stark abfallen. Das Verhältnis U/U0 bei ei
nem bestimmten Strom und bekannter Temperatur sowie bekannter
aktueller Ladungsbilanz wird zum Abgleich des Gewichtungsfak
tors ηk benutzt.
Unterschreitet das Verhältnis U/U0 einen unteren Grenzwert,
so werden abhängig vom aktuellen Ladezustand (QB) und vom Al
ter (aktuelle Kapazität, Innenwiderstand) unterschiedliche
Maßnahmen ergriffen:
Bei ungenügender Restkapazität aufgrund von Alterung
wird ein Austausch der betreffenden Batterie empfohlen. Ist
die Batterie noch tauglich und nur momentan entladen, und
läuft der Generator, so daß die Batterie wieder geladen wird,
wird nur eine Batteriewarnung ausgegeben. Fällt der Generator
während der Fahrt aus, bleibt das Fahrzeug solange betriebs
bereit, bis die Ladezustandsüberwachung 18 eine kritische
Entladung der Batterien feststellt. Nötigenfalls, d. h. wenn
das Fahrzeug nicht schon aufgrund der Motorsteuerung, die
ebenfalls eine Mindestbetriebsspannung benötigt, die über der
der Bremsaktoren liegt, ausgefallen ist, wird eine Zwangs
bremsung eingeleitet und das Fahrzeug stillgelegt. Aufgrund
der Resthemmung der Aktoren oder auch gegebenenfalls durch
Verwendung mechanischer Verriegelungsvorrichtungen an den Ak
toren werden die Bremsen im zugespannten Zustand belassen,
bis durch die Behebung der Defekte in der Energieversorgung
die einwandfreie Betriebsbereitschaft wieder hergestellt ist.
Die Steuerung der elektrischen Radbremsaktoren 12, 26 zum Be
tätigen der Radbremsen ist allgemein bekannt und deshalb hier
nicht weiter beschrieben. Sie erfolg zum einen über ein
Bremspedal und zum anderen über die eingangs erwähnten moder
nen Bremssteuer- und Regelsysteme, wie ABS-Regler und derge
leichen.